להתפתחות תבניות ביולוגיות, ולו הפשוטות ביותר, נדרש מעט רעש

פיסיקאים וביולוגים חברו כדי להראות כיצד מתפתחות אצבעות העובר, ואיך נוצרים הפסים של הזברה? אחד המודלים שלפיו ניסו להסביר התפתחות תבניות ביולוגיות מורכבות, מאבני בניין פשוטות

הכחולית השרשרתית אנבאנה לאחר 24 שעות בתנאים דלי חנקן. התאים שהתמיינו לתאים מקבעי חנקן (הטרוציסטים) זורחים בירוק בהיר, וביניהם – תאים פוטוסינתטיים
הכחולית השרשרתית אנבאנה לאחר 24 שעות בתנאים דלי חנקן. התאים שהתמיינו לתאים מקבעי חנקן (הטרוציסטים) זורחים בירוק בהיר, וביניהם – תאים פוטוסינתטיים

כיצד מתפתחות אצבעות העובר, ואיך נוצרים הפסים של הזברה? אחד המודלים שלפיו ניסו להסביר התפתחות תבניות ביולוגיות מורכבות, מאבני בניין פשוטות, היה המודל של המתמטיקאי הבריטי, אלן טיורינג. במודל טיורינג, כל תא בעובר המתפתח "יודע" מה עליו לעשות על ידי חישת התאים האחרים שבסביבתו. מחקר שפורסם לאחרונה, על ידי מדענים ממכון ויצמן למדע ושותפיהם למחקר מאוניברסיטת פירנצה, מראה, כי הפיכת המודל האלגנטי של טיורינג ל"רועש", עשויה להסביר מקרים שבהם המודל הקלאסי אינו מנבא היווצרות תבניות התפתחותיות. ממצאי המחקר מצטרפים לתשתית ראיות גדלה והולכת לכך, שרעש לא רק שאינו מפריע להתפתחות מערכות ביולוגיות, אלא מהווה רכיב בסיסי של מערכות אלה.

פרופ' יואל סטבנס מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון, חיפש מערכת מודל ניסויית, שתאפשר לו לבחון שאלות בסיסיות ביצירת תבניות התפתחותיות. "במערכת מודל אידיאלית אפשר לחקור כל תא בכל שלב התפתחותי באמצעות מספר מצומצם של פרמטרים ורמת בקרה גבוהה. לפיכך, עוברים אנושיים לא מתאימים למטרה זו – התבניות שלהם נוצרות ממאות סוגי תאים שונים. לזבובי פירות, המשמשים מערכת מודל אחרת, המקובלת במחקר התפתחותי, יש כ-60 סוגי תאים שונים. לצורך המחקר שלנו היינו זקוקים למודל ביולוגי בסדר גודל מצומצם הרבה יותר. למרבה המזל, מצאנו את המערכת שחיפשנו בכחוליות רב-תאיות (ציאנובקטריה) מסוימות".

הכחוליות הן מערכה של יצורים השייכים לממלכת החיידקים בטבע. זמן רב בטרם התפתחה בכדור-הארץ צמחייה, העשירו יצורים אלה את שיעור החמצן באטמוספרה וקיבעו את החנקן הדרוש לקיומם של צמחים ובעלי-חיים. מבחינת פרופ' סטבנס, התכונה החשובה ביותר של יצורים אלה היא פשטותם: הם בנויים משני סוגי תאים בסיסיים המסודרים בשרשרת. הכחולית אנבאנה (Anabaena) שחקרו פרופ' סטבנס ועמיתיו בשיתוף פעולה עם פרופ' דוצ'ו פאנלי וקבוצת המחקר שלו, היא אחת הדוגמאות המוקדמות ביותר לרב-תאיות בכדור-הארץ.

מימין: ליאורה שיין-לובומירסקי, ד״ר רינת ארבל-גורן ופרופ' יואל סטבנס. קצת רעש בבקשה
מימין: ליאורה שיין-לובומירסקי, ד״ר רינת ארבל-גורן ופרופ' יואל סטבנס. קצת רעש בבקשה

 

ביצורים אלה התאים הם פוטוסינתטיים, כלומר: הם משתמשים באור השמש כדי לייצר חמצן ולאחסן אנרגיה בצורת פחמימות. תאים אלה צורכים חנקן לשם בניית חלבונים, ולשם כך הם נוטים לנצל חנקן בצורתו הזמינה. בהיעדר מקורות חנקן זמינים, הם מקבעים חנקן מהאטמוספרה בעזרת אנזים ייחודי. עם זאת, החמצן שמשתחרר בתהליך הפוטוסינתזה פוגע בתפקודו של אנזים זה. כדי להתמודד עם הסתירה הפנימית בין שני התהליכים, נוצרת חלוקת עבודה בין התאים: מיעוטם הופכים לתאים הטרוציסטיים, המתמחים בקיבוע חנקן אטמוספרי, בעוד שהאחרים ממשיכים לייצר פחמימות ולשחרר חמצן בתהליך הפוטוסינתזה. כך מתפתחת אחת התבניות הפשוטות ביותר בטבע, שיש בה רצף של כ-10 תאים פוטוסינתטיים בין כל שני הטרוציסטים.

כדי לעקוב אחר היווצרות התבניות ההתפתחותיות ביצורים אלה, סימנו החוקרים גנים המעורבים בתהליך ההתמיינות על ידי צימודם לגנים מדווחים של חלבונים שזורחים פלואורסצנטית. לאחר מכן, חשפו את הכחוליות לתנאים דלי חנקן ועקבו אחר תהליך ההתמיינות לשני סוגי תאים. בתהליך זה נוצרו במשך הזמן התבניות ההתפתחותיות המוכרות, והתאים שהתמיינו להטרוציסטים זרחו תחת המיקרוסקופ.

עד כמה תאמו תהליכי ההתפתחות שנצפו את המודל הקלאסי? המודל של טיורינג הינו דטרמיניסטי. לפי מודל זה מתפתחות תבניות בטווח צר מאוד של ערכי פרמטרים. מכאן נובע, שנדרש כוונון עדין כדי לאפשר היווצרות תבנית. למרות זאת, התבניות ההתפתחותיות בכחוליות אלה נוצרות בטווח תנאים רחב, והביטוי הגנטי שנצפה בתאים רחוק מלהיות דטרמיניסטי. למעשה, הוא  "רועש" מאוד: אפילו תאים שכנים מראים הבדלים גדולים. "לכן הוספנו למודל טיורינג פלוקטואציות אקראיות (תנודות זעירות, לא מחזוריות), כלומר, רעש", אומר פרופ' סטבנס. "הגרסה החדשה של המודל מהווה תיאור רחב יותר מזה של המודל המקורי. יתר על כן, לא נדרש כוונון עדין של פרמטרים". קבוצת המחקר פרסמה באחרונה את עבודתה על "מודל טיורינג הסטוכסטי" בכתב-העת המדעי PLoS Biology.

במקביל לעבודות אחרות שנעשו באחרונה, מחקר זה מציע שתנודות אקראיות אלה הן בלב לבה של התפתחות תבניות, אף כי נוטים לחשוב עליהן כנקבעות מראש. במלים אחרות, הרעש הוא חלק בלתי-נפרד מהמערכת. "במונחים פיסיקליים", מסביר פרופ' סטבנס, "מערכות ביולוגיות אינן מגיעות לשיווי משקל – הן צריכות להשקיע אנרגיה בשכפול מדויק של המידע מדור לדור. אנו רואים, כי במערכות אלה, נוסף לתוכנית האב התאית, רעש הוא תנאי הכרחי לכך שיוכלו לגדול ולהתפתח ולייצר צורות מדויקות, סידורים פנימיים ותבניות".

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

6 תגובות

  1. ניסים – האם אתה חושב שישנה אפשרות שהיקום מגיע לנקודת מורכבות כזו שהוא מתחיל להתפרק מאותה נקודה , והאם ישנה אפשרות שאחריי שהוא פורק לגמריי הוא יתכווץ מחדש – "יתפוצץ" שוב ואנחנו עוד פעם נחווה את אותו יקום בשינוי אדרת ?

    ושאלתי באופן כללי – למה אנחנו נולדנו במאה ה 21 -20 , היקום קיים מילרדי שנים ובטח יש הרבה יצורים חיים ביקום – ואנחנו מורכבים מהאטומים שהרכיבו את כדור הארץ – ואותם אטומים הפכו למולקולות שהפכו ליצורים מורכבים לאט לאט ועם הזמן פיתחו מודעות …. זה אמור שאטומים יכולים לפתח מודעות … זה מוזר .

    שיהיה לך יום טוב .

  2. רובין
    תחשוב על זה שאין כימיה בסביבה מאד קרה. האטומים לא נמצאים בתנועה ולכן לא יווצרו קשרים חדשים בין אטומים ומולקולות. חום הוא רעש במיקומם של אטומים.

    המציאות לא בהכרח קיימת אינסוף זמן, לא קדימה ולא אחורה. המפץ הגדול מניח שלזמן יש אכן התחלה, אבל לא ברור האם יש סוף לזמן.

    יש סיבה למה אנחנו קיימים דווקא "היום", והסיבה מעניינת.
    האנטרופיה (כלומר – אי הסדר) ביקום גדל כל הזמן. זהו החוק השני של הטרמודינמיקה וקל להבין למה זה נכון.
    המורכבות, לעומת זאת, מתנהגת אחרת. בהתחלה העולם פשוט והוא נעשה מורכב יותר ויותר – עד שלב מסויים. אחרי זה, המורכבת יורדת ובסופו של דבר העולם נהיה מאד פשוט. גם זה קל להבנה, ואסביר אם תרצה.

  3. אנאלוגיה מעניינת , אתה (ניסים) אומר בעצם שהסביבה הייתה צריכה להיות כמו שהיא(רועשת) על מנת שיווצרו חיים מורכבים … השאלה היא – מהי סביבה "לא רועשת"

    אתה יודע תמיד זה הרגיש לי מוזר שאנחנו נולדנו דווקא במאה ה21 הכוונה שלי היא ( מנקודת מבט מדעית) –

    היקום קיים מילארדי שנים והמציאות כנראה קיימת אין סוף בציר הזמן לשני הצדדים …. יש לי היפותזה שמניחה שיצורים ביולוגים כן יכולים "לשרוד" מוות על ידי שיכפול של עצמם (התרבות) …זאת אומרת שאנחנו כאורגניזם .. אין דבר כזה יחיד אנחנו כולנו מורכבים מדי אן איי גם בננה גם קופים גם לטאות וגם בני אדם

    אני רוצה להוכיח את זה אבל הדרך היחידה שבה אני אוכל להוכיח מדעית מעל כל צל של ספק את ההיפותזה הזאת היא רק אם אני הוכיח שיש בין יצורים חיים מנגנון " אל-חוטי" – תקרא לזה "קשר מרחוק ללא מגע"

    אני חושב שזה נכון .. אבל אין לי כרגע הוכחות לזה .

    יום טוב

  4. רובין
    דווקא הגיוני שרעש יוצר מורכבות. נסה לצייר קו ישר עם סרגל. עכשיו – צייר את הקו כשהיד שמחזיקה את הסרגל רועדת. הנה, עברת מקו פשוט לקו מורכב.
    מעניין….

  5. בקיצור הטבע לא אוהב שאומרים לו מה לעשות .. הוא אוהב רעש וכאוס .. ומתוך זה הוא יוצר תבניות מורכבות …מוזר

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן